浅谈大口径沉管灌注桩的应用

　　摘要：沉管桩具有工艺先进、质量可靠、经济合理、施工周期短等优势,适合各种地质条件,本文根据工程实例，探讨大口径沉管灌注桩在地基处理中的应用。
　　关键词：地基处理，大口径沉管灌注桩，应用
　　1工程概况
　　某工程总用地面积为7913m2．建筑面积为21328m2，地下一层，地上二十三层。该建筑物为框剪结构，六层局部设有转换层，基础采用大口径沉管混凝土灌注桩。由于选种桩型承载力高，安全可靠，造价低廉。对本工程的特殊地质条件有很好的适应性，为建设单位节省了二百多万的工程投资。
　　2工程地质条件
　　该场地之前为农业耕作区，场地经钻探揭露，地质剖面从上到下为：耕土、淤泥、细砂、粉质粘土或粉土、粗砂或砾砂、粘土和砂质泥岩。地下水量非常丰富，主要含水层为细砂层和粗砂层，粉质粘土为弱含水层，局部起隔水作用。经对抽水孔粗砂层抽水试验，其它地层用套管隔开，该层放置过滤管，用每小时4立方水量水泵进行了48小时抽水试验，水量无法抽干，而且水源不断，估计一昼夜涌水量大于500立方米。对地下水进行取样分析，地下水对砼无侵蚀性。
　　该场地中有0.2～6.8米的细砂层,处于饱和状态，容易液化；有0.3～18.95米粗砂(或砾砂)层，砾砂直径2～5mm，同样处于饱和状态，容易液化,抽水试验得知水量大，水力作用不平衡，容易发生流砂现象。
　　3选用基础形式分析大口径沉管灌注桩的适用场地
　　该工程为高层建筑，而地质状况中的耕土层、淤泥层、粉质粘土层，承载力低，故排除了天然浅基础的设计方案，而采用了桩基础。在桩基础中，若采用钻孔灌注桩，桩端必须嵌入微风化砂质泥岩中，桩长一般为25～35m，但在细砂和粗砂层易塌孔。若采用预应力管桩基础，桩端可嵌入强风化砂质泥岩，所以，必须采用锤击桩，因静压桩很难通过较厚的砾砂层，且穿过较厚的砾砂层时，易发生断桩。若采用人工挖孔桩，必须采用止水或降水措施，因地下水非常丰富，费用较大，基坑支护可
　　大口径锤击沉管混凝土灌注桩宜用于桩端持力层为强风化岩层或坚硬土层的场地；不适用于含水量W≥75％且厚度较大的淤泥地基或高承压水土层；不宜用于石灰岩地区，且该桩的锤击能量较大，采用时应考虑噪声及震动对环境及邻近建筑物的影响。本场地中淤泥层厚从0.4～5.3米,含水量W=65.2％＜75％，无高承压水土层，岩层为砂质泥岩，且地处郊处，周围是农田，邻近几百米无建筑物噪声及震动对环境及邻近建筑影响较小，较适合采用大口径锤击沉管混凝土灌注桩。
　　4设计结果及贯入度的计算公式
　　通过总结过击使用大口径锤击沉管灌注桩的经验及地质勘察报告，桩端持力层选定为强风化砂质泥岩。本工程采用此种桩型成功与否的关键是：桩靴能否顺利穿过十几米的粗砂(或砾砂)，到达强风化砂质泥岩。与施工过大口径锤击沉管灌注桩的施工单位交流经验，总结以往的施工实例，采用穿透能力较强十字型钢靴及6吨以上的柴油锤，保证能穿过粗砂层。故本工程采用大口径锤击灌注桩，其桩端能达到强风化砂质泥岩，满足设计要求。
　　本工程采用φ700mm桩径,桩的中心距离取3.5dc根据强风化砂质泥岩的标准贯入试验,其平均锤击数大于58击,确定其桩端岩的竖向承载力标准值为4000kPa。对于可液化的细粗砂层,其桩侧阻力的取值在当地标准《大口径锤击沉管混凝土灌注桩技术规程》中来考虑可液化土层的影响，根据我国科研成果，结合国内外工程抗震调查结果，考虑地下室底板对抑制下部液化土层喷水涌砂和保持桩基整体稳定的重要作用，取砂层液化折减系数为2/3。将可液化砂层极限侧阻力标准值乘以砂层液化折减系数，按《规程》计算出φ700直径桩的承载力标准值分别为3500KN。根据《规程》里的条款确定其桩身砼强度为C30，试桩的桩身砼强度提高为C35。考虑桩身纵向弯曲的影响，钢筋笼纵筋采用配筋率为0.6％配筋，通长设置。
　　桩的收锤标准(所谓收锤标准是按规定落锤高度的最后三阵锤每阵十锤的贯入度)，一般是在正式施打桩前，在靠近钻孔位置进行试沉管，通过试沉管，根据实际的桩管贯入度并综合考虑设计对各种桩长的桩端持力层标准贯入击数的要求、桩机性能和地质条件等，由设计、施工等部门共同确定的。但在试沉管前桩基平面布置图中须注明收锤贯入度，设计人员可根据地质条件、桩型、桩的密集程度、单桩竖向承载力及现有施工条件查有关规范得出。本文通过总结以往的大口径沉管灌注桩的实际经验，结台国外计算公式，对于锤重W≥48KN的机械施打，本文提出贯入度的经验公式：S=280W×(1+1.1h)/RK-13（4-1）
　　其中：S——贯入度(cm/10击)。
　　W——冲击分部锤重(KN)。
　　H——锤落距(m)。
　　RK——桩承载力标准值。
　　报据以上公式，结合地质情况，由设计、施工及地质勘察单位确定该桩的收锤标准为：用7.2T柴油锤施打，落锤高度为2米的情况下，最后三阵锤每阵锤的贯入度不大于50mm。
　　5设计注意事项爰经济对比分析
　　5.1设计注意事项
　　在进行大口径锤击沉管灌注桩设计时应考虑如下影响因素：
　　①桩端持力层首选在强风化岩层或标准贯入击数为3O～5O击的坚硬土层，对于持力层租坚硬，其标准贯入击数大于300击，而桩端平面以上3倍桩靴直径的厚度范围内土层比较弱，其平均标准贯入击数小于40击时，会对桩端总阻力有一定影响，设计时应考虑降低桩端的总阻力。一般根据桩端平面以上3倍桩靴直径厚度范围内土地层的平均标准贯入数乘0.9～1.0的折减系数，标准贯入击数大取高值，标准贯入击数小取低值。
　　②桩端持力层平面以下6倍桩靴直径范围内土层的标准贯入击数不宜低于桩端处的标准贯入击数，如桩端下卧层存在软弱夹层时，设计时其桩端阻力应取软弱下卧层的桩端阻力。
　　③对于桩数超过3根的非端承桩，进行单桩竖向承载力设计时，应考虑群桩效应。
　　④因沉管灌注桩属于挤土型桩，在沉管过程中可能会产生不同程度高孔隙水压和土体隆起现象，一般不宜考虑桩承台与桩基共同作用。
　　⑤当桩穿越较厚松散填土，自重湿陷性黄土，欠固结土层进入相对较硬土层时；或桩周存在软弱土层，邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载及地面大面积堆载时；或降低地下水位，使桩周土不效应力增大，并产生显著压缩沉降时、应考虑由此而起的桩侧负摩擦力对桩竖向承载力的影响。
　　⑥为保证承台的稳定性，减少桩基承受弯矩作用，单桩承台应在两个垂直方向设置拉粱，两桩承台应在承台短方向设置拉粱，拉粱顶面宜与承台面齐平。拉梁高度应按计算确定，一般不小于相邻承台中心距的1/15，宽度不宜小于200mm，拉粱的配筋可简略为：拉梁所承受弯矩的受弯配筋加上拉粱所连接柱子量大轴力的十分之一作为拉力的受拉配筋。
　　5.2经济对比分析
　　在进行桩基础经济分析时，曾设计过钻孔灌注桩方案，钻孔桩桩径为800～1800mm，桩端嵌入徽风化砂质泥岩中0.5m，桩长为25～35m。它与大口径沉管灌注桩进行经济分析比较见(表1)。大口径沉管灌注桩比钻孔灌注桩节省了250万元左右的投资，其施工工期可提前半个月，有比较好的经济效益。
　　表1钻孔灌注桩与沉管灌注桩的经济分析
　　桩的类型 砼工程量 单价（元/m3） 总造价（万元） 单方造价（元/m2） 工期（天）
　　沉管灌注桩 3210 820 263.2 123.4 55
　　钻孔灌注桩 5140 1000 514 241 70
　　6施工技术措施
　　6.1施工技术措施
　　为了使桩尖能穿过较厚的粗砂层，到达强风化泥岩持力层，保证施工质量，防止断桩、缩颈，减少震动和挤土的影响，在施工中采取了如下施工技术措施：
　　①桩靴应采用钢桩靴，并应具有足够的刚度和强度，钢板厚度一般为18～25mm，本工程采用20mm厚板，当沉管时发生桩靴损坏，可在桩管内灌入0.2～0.3mm坍落度为180～200mm的C30的混凝土后将桩管抽出，另加桩尖在原位再次沉管，沉管深度宜比第一次沉管减少0.4～0.6m，并基本接近收锤标准。
　　②为减少震动和挤土的影响，保证先施工桩桩身混凝土质量，本工程采取的打桩顺序为：先从中间大承台往四周进行；根据桩的入土深度，先长桩后短桩；根据桩的规格，先大口径的桩、后小直径的桩；根据高层建筑塔楼与裙楼的关系，先塔楼后裙楼。
　　③在锤击沉管完成后，应用低压探灯检查孔底是否有进泥进水现象，如有泥土可采用人工清底，有水时用潜水泵抽干。
　　④沉管收锤时应符合试沉管所确定的收锤标准，本工程通过试沉管达到设计规定的持力层后，收锤标准为：用7.2T柴油锤施打，落锤高度为2m的情况下、最后三阵锤每阵的贯入度不大于30mm。
　　⑤本工程钢筋笼制作时，钢筋接长采用对焊，箍筋采用点焊，纵向受力钢筋的焊接互相铺开，在35倍钢筋直径区段范围内的接头不得超过钢筋总数的一半。
　　⑥桩管内灌满混凝土后，先振动5～10s，再开始拨管，边振边拨，每拨0.5～1.0m停拔振动5～10s．如此反复直至桩管全部拔出。为防止断桩和缩径桩，应控制拨管速度，在一般土层内，拨管速度不得大于2.5m/min，拨管速度控制在1.2～1.5m/min；在软弱土层内，拔管速度控制在较弱土层中和软硬土层交界处的拔管速度不得大于1.5m/min，拨管速度控制在0.6～0.8m/min。灌注桩身混凝土时，每台桩机每个工作班应留置1组试件。混凝土的充盈系数不得小于1.0，对于混凝土充盈系数小于1.0的桩，应全长复打。成桩后的桩身混凝土顶面标高应不低于设计标高的500mm。
　　6.2施工结果
　　用φ700mm锤击况管灌注桩能否达到设计的承载力，检测方法是通过现场静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值。本工程取3支桩做现场静载荷试验，3支桩的加载至水载力标准值的2倍时，桩的最终沉降量分别为：8.3mm、6.7mm、9.6mm，均能满足设计要求。抽查10％的桩作小应变检测，除少数Ⅱ类桩外均未发现Ⅲ类桩。对建筑物的沉降观测，从施工到主体工程完工后，最大沉降量为4.3mm，该工程建成后三年多，未发现下沉过大及沉降不均匀引起开裂现象。故该桩在本工程中应用是成功的，采用这种桩型，为建设单位节省了两百多万的投资。
　　7结柬语
　　7.1对于桩身周围存在可液化土层的桩，《规程》中未考虑其影响因素，本文建议在工程中应考虑可液化土层极限侧阻力标准值的折减。而通过单桩竖向抗压静载试验确定其承载力亦应根据桩周围可液化土层极限侧阻力标准值乘以土层液化折减系数推算单桩极限承载力标准值。
　　7.2施工的收锤标准一般由设计、施工等部门共同确定，而在施工之前要在图中注明收锤贯入度的要术，建议按本文的(4-1)式计算收锤贯入度，在试沉管时，根据实际情况与有关单位共同确定。
　　7.3大口径沉管灌注桩其单桩竖向承载力设计值一般为1500～4500KN左右，适宜在多高层中应用。由于其技术可靠，施工快捷。经济合理；能穿过较厚的粗砂层，穿透力强，承载力高；采用振动拔管，桩身质量有保证。建议在有条件的地区推广使用。